EP3344905B1 - Ventil - Google Patents

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EP3344905B1
EP3344905B1 EP16745448.7A EP16745448A EP3344905B1 EP 3344905 B1 EP3344905 B1 EP 3344905B1 EP 16745448 A EP16745448 A EP 16745448A EP 3344905 B1 EP3344905 B1 EP 3344905B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
toothed segment
flexible elements
disk
flexible
Prior art date
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Active
Application number
EP16745448.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3344905A1 (de
Inventor
Carsten MIKOLAJEK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Publication of EP3344905A1 publication Critical patent/EP3344905A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3344905B1 publication Critical patent/EP3344905B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/04—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor
    • F16K31/047—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor characterised by mechanical means between the motor and the valve, e.g. lost motion means reducing backlash, clutches, brakes or return means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/52—Systems for actuating EGR valves
    • F02M26/53—Systems for actuating EGR valves using electric actuators, e.g. solenoids
    • F02M26/54—Rotary actuators, e.g. step motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/66—Lift valves, e.g. poppet valves
    • F02M26/67—Pintles; Spindles; Springs; Bearings; Sealings; Connections to actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H19/00—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion
    • F16H19/02—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion
    • F16H19/06—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion comprising flexible members, e.g. an endless flexible member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/44—Mechanical actuating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/44—Mechanical actuating means
    • F16K31/53—Mechanical actuating means with toothed gearing

Definitions

  • the invention relates to a valve for opening and closing a flow path, with a drive motor, with a valve plate, with a valve tappet and with a translation device for translating a rotational movement of the drive motor into a translational movement of the valve plate, the valve plate being connected to the valve tappet and through a movement of the valve tappet is movable, the translation device being formed from flexible elements and at least one toothed segment which is rotatably mounted about an axis of rotation, wherein only tensile forces can be transmitted by the flexible elements and wherein the toothed segment is at least partially from the flexible elements by a rotary movement is loopable.
  • rotational movements of a drive motor are translated into a linear or a translatory movement for the purpose of actuating a valve.
  • This principle is also used, for example, in valves for controlling exhaust gas recirculation in motor vehicles.
  • a gear ratio is often used, which translates the rotary motion into a linear or translatory motion with appropriate kinematics.
  • the translation of the rotary movement can be implemented, for example, by means of a crank drive or a link mechanism.
  • the US 3 955 792 A discloses a drive mechanism for a valve body with a cable drum.
  • the rope drum is driven by a motor via a gear box.
  • a cable is wound on the rope drum and at the free end a valve lifter connected to the valve body.
  • the rope For the low-friction movement, the rope must be exactly aligned with the axis of the valve lifter.
  • the US 4,613,798 A. discloses an electrically driven valve.
  • a flexible element is arranged between the electric drive and the valve.
  • a disadvantage of such devices is, in particular, that undesirable transverse forces arise which can be transmitted to the valve tappet or the valve disk. This leads to increased wear and a reduced service life.
  • the valve may also tilt.
  • An embodiment of the invention relates to a valve for opening and closing a flow path, with a drive motor, with a valve plate, with a valve tappet and with a translation device for translating a rotational movement of the drive motor into a translational movement of the valve plate, the valve plate being connected to the valve tappet and is movable by a movement of the valve tappet, the translation device being formed from flexible elements and at least one toothed segment, which is rotatably mounted about an axis of rotation, wherein only tensile forces can be transmitted by the flexible elements, and wherein the toothed segment is at least partially displaced from it by a rotational movement flexible elements can be wrapped around.
  • the translation device is particularly preferably rotatably mounted such that the toothed segment can be driven via a gear or directly from a drive motor, such as in particular an electric motor.
  • the rotational movement generated on the toothed segment allows winding or unwinding of the flexible elements, which are also connected to the valve tappet, on the toothed segment, which ultimately can result in a translational movement of the valve tappet.
  • the toothed segment can be designed in a variety of ways. It is essential that the movement of the drive motor transmitted by drive disks is transmitted to the toothed segment, for example by a toothing provided between the toothed segment and the drive disk, and that the toothed segment is furthermore suitable for transmitting the movement to the valve tappet by means of flexible elements.
  • the tooth segment can in particular be made from a plurality of individual elements or at least have a plurality of regions which are each assigned different functions. For example, an arch element for transmitting the movement from the drive pulleys and disc-shaped elements for connecting the flexible elements.
  • the flexible elements are preferably Bowden cables, for example, which are characterized in particular by the fact that they can essentially only transmit tensile forces and can transmit only very little or no thrust forces at all.
  • the movement of the toothed segment can be transmitted to the valve tappet in both directions of rotation.
  • the twisting of the toothed segment can result in a partial wrap with one or both flexible elements by practically winding the flexible elements onto the toothed segment.
  • an already wound flexible element can also be unwound from the tooth segment.
  • the translation device has at least two flexible elements, wherein by rotating the toothed segment in one direction the portion of the toothed segment wrapped by the at least first flexible element can be enlarged and the portion of the toothed segment wrapped by the at least second flexible element can be reduced ,
  • One of the flexible elements is provided for power transmission in one direction. With a clockwise direction of rotation, one of the flexible elements is loaded under tension, while the other is relieved. When the direction of rotation is reversed, this is first unloaded flexible element loaded on train and relieved the first loaded flexible element.
  • the toothed segment has two circumferential grooves on the outer circumference, the flexible elements being at least partially guided through the grooves.
  • the grooves prevent the flexible elements from slipping off the toothed segment. A better translation of the rotary movement into a translatory movement can also be achieved, since the flexible elements have less freedom of movement and thus the play in the entire device is reduced.
  • the flexible elements can wrap around the toothed segment in a guided manner, whereby overall greater stability is achieved. If several flexible elements are provided, the grooves can also prevent the flexible elements from overlapping. The unwanted occurrence of transverse forces and disturbing moments can also be prevented. Shear forces are in particular forces that act transversely to the desired direction of movement of the valve tappet and thus make movement more difficult or lead to tilting of the valve tappet or the valve disk. Disturbing moments are, in particular, moments that likewise lead to a movement of the valve tappet and the valve disk that deviates from the desired direction of movement.
  • the valve is characterized in that the toothed segment is formed from two disc-shaped elements which are rigidly connected to one another, the first disc-shaped element being arranged to the left of the valve tappet and the second disc-shaped element being arranged to the right of the valve tappet, each of the disc-shaped elements has two grooves running parallel to one another in the circumferential direction on the outer circumference, a flexible element being guided in each of the grooves.
  • the disk-shaped elements are preferably arranged on the left and right of the valve lifter at the same distance from the central axis of the valve lifter. This is particularly advantageous in order to achieve a uniform power transmission that is free of transverse forces and disturbing moments.
  • Each disk-shaped element has two grooves, a flexible element engaging in each of the grooves. A total of 4 flexible elements are thus provided, two flexible elements each being provided for the power transmission in the same direction.
  • a flexible element on the right and left side of the valve tappet transmits the clockwise rotation and likewise a flexible element on the right and left counterclockwise transfers from the toothed segment to the valve tappet.
  • each flexible element is firmly connected to the valve tappet and to the toothed segment.
  • a play-free power transmission can be achieved through a fixed connection.
  • the two flexible elements are arranged in opposite directions to one another.
  • the opposite arrangement is particularly advantageous in order to be able to move the valve tappet both forwards and backwards.
  • One of the flexible elements is loaded with a tensile force for this.
  • the toothed segment is rotatably mounted about an axis of rotation, the axis of rotation of the toothed segment being arranged in a tangential direction to the central axis of the valve lifter.
  • Such an arrangement of the toothed segment or the axis of rotation of the toothed segment in comparison to the central axis of the valve lifter can ensure that the flexible elements are aligned exactly parallel to the direction of movement of the valve lifter. This is advantageous in order to prevent or at least minimize the occurrence of undesirable transverse forces and disturbing moments.
  • the center distance between the axis of rotation of the toothed segment and the central axis of the valve lifter corresponds to half the rolling diameter of the flexible elements on the toothed segment.
  • Such a design is particularly advantageous because it ensures that the flexible elements run exactly parallel to the central axis of the valve lifter.
  • the position of the neutral fiber of the flexible elements is particularly important here, since it should be arranged exactly parallel to the central axis of the valve lifter in order to avoid transverse forces and disturbing moments.
  • the neutral fiber should run parallel to the central axis of the valve lifter, viewed from the side along the axis of rotation of the toothed segment and from above at a right angle to the axis of rotation of the toothed segment.
  • the flexible elements are formed by Bowden cables and / or ropes and / or steel strips and / or roller springs and / or chains and / or tensile fabric tape.
  • the flexible elements are injected into the tooth segment at their connection point on the tooth segment. Injecting or injecting the flexible elements into the toothed segment is particularly advantageous in order to achieve a play-free power transmission.
  • the distances of the flexible elements to the central axis of the valve lifter are symmetrical to one another on the right and left.
  • a symmetrical arrangement of the flexible elements can, in particular, reduce or completely avoid the occurrence of undesirable transverse forces and disturbing moments. Shear forces and disturbing moments could cause the valve tappet or the valve disc to tilt.
  • the durability of the valve is significantly reduced.
  • valve lifter protruding projections can be arranged in the radial direction, to which the flexible elements are connected.
  • Appropriate dimensioning means that the flexible elements can run exactly parallel to the central axis of the valve lifter.
  • At least one of the flexible elements is subjected to a prestressing force by a device, the device being arranged on the toothed segment and / or on the valve tappet.
  • a device for generating a biasing force can be formed, for example, by a spring or a spring-like element.
  • the biasing force is used in particular to minimize or eliminate the play in the valve.
  • the game arises from manufacturing tolerances of the individual elements of the valve.
  • the elements can be brought into contact with one another by a pretensioning force in such a way that the play is minimized or even completely eliminated.
  • the flexible elements run parallel to the central axis of the valve lifter. This is advantageous in order to avoid the undesired generation of transverse forces and disturbing moments.
  • the Figure 1 shows a side view of a valve 1 according to the invention.
  • the valve 1 is essentially formed from the valve tappet 2 and the valve plate 3 fastened thereon or made in one piece with the valve tappet 1.
  • a valve seat against which the valve plate 3 can be pressed represented by a ring with the reference numeral 29.
  • the valve seat 29 is part of a flow path, not shown, which can be closed or released by the valve plate 3.
  • the valve lifter 2 can be moved along the direction indicated by the arrow 4 and also counter to this direction.
  • a toothed segment 5 which has the arch element 6 and two disk-shaped elements 7.
  • the toothed segment 5 is rotatably mounted about the axis of rotation 8, which is the surface normal on the plane of the drawing.
  • the toothed segment 5 can be rotated about the axis of rotation 8 along the direction indicated by the arrow 9 and in the opposite direction.
  • drive pulleys which form a gear stage.
  • the drive pulley 11 is connected to the drive motor 12 and can be driven by it both in the direction of arrow 13 and in the opposite direction.
  • the drive pulley 10 rolls on the drive pulley 11.
  • the rotary movement of the drive disk 10 is finally transmitted to the arch element 6 of the toothed segment 5.
  • the respective sense of rotation is based on the principle of reversing the direction of rotation from drive pulley to drive pulley according to the arrows shown.
  • Two flexible elements 14 and 15 are shown, which are particularly advantageously designed as Bowden cables. These flexible elements 14 and 15 can only transmit tensile forces.
  • the flexible elements 14 and 15 are each connected at one of their end regions to the valve tappet 2 at the connection points 16 and 17 and at the other end region to the disc-shaped element 7.
  • the arrow 13 increases the wrap of the disc-shaped element 7 with the flexible element 15, while the wrap is reduced by the flexible element 14.
  • the valve lifter 2 is thereby moved to the left along the arrow 4.
  • a reversal of the direction of rotation of the drive motor 12 would lead to an increase in the wrap of the disk-shaped element 7 with the flexible element 14 and would lead to a reduction in the wrap through the flexible element 15.
  • the valve lifter 2 would consequently be moved to the right against the arrow 4.
  • connection points 16 and 17 are arranged exactly at the level of the central axis 18 of the valve lifter 2.
  • the flexible elements 14, 15 thus run exactly parallel to the central axis 18. This is advantageous in order not to introduce any transverse forces or disturbing moments into the valve tappet 2.
  • the axis of rotation 8 of the disk-shaped element 7 is arranged exactly as far in height from the central axis 18 of the valve lifter 2 as the radius 19 of the disk-shaped element 7. This contributes to the neutral fiber of the flexible Elements 14, 15 run exactly at the height of the central axis 18, whereby the generation of undesirable transverse forces and disturbing moments can be avoided.
  • the Figure 2 shows a perspective view of the valve 1 of FIG Figure 1 , Accordingly, the same reference numerals have been used for identical parts and new reference numerals have been introduced if necessary.
  • connection points 16 and 24 are arranged concentrically along an axis 26, the axis 26 penetrating the central axis 18 and being aligned parallel to the axis of rotation 8.
  • connection points 17 and 25 are arranged concentrically along the axis 27, the axis 27 also being arranged parallel to the axis of rotation 8 and also penetrating the central axis 18.
  • an additional disc-shaped element 28 is arranged on the right side of the valve lifter 2.
  • the disk-shaped elements 7 and 28 are rigidly connected to one another and are rotatably mounted together about the axis of rotation 8.
  • the disk-shaped elements 7, 28 are particularly preferably identical.
  • the disc-shaped element 7 has two circumferential grooves 20, 21, in which the flexible elements 14, 15 are each at least partially guided.
  • the grooves 20, 21 enable the flexible elements 14, 15 to be rolled up or unrolled in an orderly manner from the disk-shaped element 7.
  • the disk-shaped element 28 is constructed mirror-symmetrically to the disk-shaped element 7.
  • the flexible elements 22, 23 are guided by grooves running on the disk-shaped element 28 in the circumferential direction.
  • connection points 16, 24 and 17, 25 which are arranged such that the forces from the drive motor 12 are transferred to the valve tappet 2 as evenly as possible.
  • the two flexible elements 14, 15 or 22, 23 are arranged in opposite directions on one side of the valve lifter 2, as a result of which both movement along the direction 4 and counter to the direction 4 with the flexible elements 14, 15, 22 and 23, which can only transmit tensile forces, can be achieved.
  • connection points 16, 24, 17 and 25 at the level of the central axis 18 and the exactly parallel arrangement of the flexible elements 14, 15, 22 and 23 ensure that the force is introduced into the valve tappet 2 exactly along the direction of movement 4 of the valve tappet 2 he follows.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Öffnen und Schließen einer Strömungsstrecke, mit einem Antriebsmotor, mit einem Ventilteller, mit einem Ventilstößel und mit einer Übersetzungsvorrichtung zur Übersetzung einer Rotationsbewegung des Antriebsmotors in eine translatorische Bewegung des Ventiltellers, wobei der Ventilteller mit dem Ventilstößel verbunden ist und durch eine Bewegung des Ventilstößels bewegbar ist, wobei die Übersetzungsvorrichtung aus flexiblen Elementen und zumindest einem Zahnsegment gebildet ist, welches um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei durch die flexiblen Elemente nur Zugkräfte übertragbar sind und wobei das Zahnsegment durch eine Drehbewegung zumindest teilweise von dem flexiblen Elementen umschlingbar ist.
    • Stand der Technik
  • In einer Vielzahl von Anwendungsbereichen werden zum Zwecke der Betätigung eines Ventils Rotationsbewegungen eines Antriebsmotors in eine lineare beziehungsweise eine translatorische Bewegung übersetzt. Dieses Prinzip wird beispielsweise auch bei Ventilen zur Steuerung der Abgasrückführung in Kraftfahrzeugen angewendet. Hierzu wird oftmals eine Getriebeübersetzung genutzt, die mit einer entsprechenden Kinematik die Drehbewegung in eine lineare beziehungsweise translatorische Bewegung übersetzt. Die Übersetzung der Drehbewegung kann beispielsweise über einen Kurbelantrieb oder ein Kulissengetriebe realisiert werden.
  • Die US 3 955 792 A offenbart einen Antriebsmechanismus für einen Ventilkörper mit einer Seiltrommel. Die Seiltrommel wird von einem Motor über eine Getriebebox angetrieben. Ein Kabel ist auf der Seiltrommel aufgewickelt und am freien Ende eines mit dem Ventilkörper verbundenen Ventilstößels befestigt. Für die reibungsarme Bewegung muss das Seil genau mit der Achse des Ventilstößels fluchten.
  • Die US 4 613 798 A offenbart ein elektrisch antreibbares Ventil. Zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Ventil ist ein flexibles Element angeordnet.
  • Nachteilig an solchen Vorrichtungen ist insbesondere, dass unerwünschte Querkräfte entstehen, die auf den Ventilstößel oder den Ventilteller übertragen werden können. Dies führt zu einer höheren Abnutzung und zu einer reduzierten Lebensdauer. Außerdem kann es zu einem Verkanten des Ventils kommen.
    • Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil zu schaffen, bei welchem eine Drehbewegung eines Antriebsmotors in eine lineare Bewegung umgesetzt wird, wobei die entstehenden Querkräfte und Drehmomente am Ventilstößel möglichst minimal sind.
  • Die Aufgabe hinsichtlich des Ventils wird durch ein Ventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Ventil zum Öffnen und Schließen einer Strömungsstrecke, mit einem Antriebsmotor, mit einem Ventilteller, mit einem Ventilstößel und mit einer Übersetzungsvorrichtung zur Übersetzung einer Rotationsbewegung des Antriebsmotors in eine translatorische Bewegung des Ventiltellers, wobei der Ventilteller mit dem Ventilstößel verbunden ist und durch eine Bewegung des Ventilstößels bewegbar ist, wobei die Übersetzungsvorrichtung aus flexiblen Elementen und zumindest einem Zahnsegment gebildet ist, welches um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei durch die flexiblen Elemente nur Zugkräfte übertragbar sind und wobei das Zahnsegment durch eine Drehbewegung zumindest teilweise von dem flexiblen Elementen umschlingbar ist.
  • Die Übersetzungsvorrichtung ist besonders bevorzugt derart drehbar gelagert, dass das Zahnsegment über ein Getriebe oder direkt von einem Antriebsmotor, wie insbesondere einem Elektromotor, angetrieben werden kann. Durch die am Zahnsegment erzeugte Drehbewegung kann ein Aufwickeln beziehungsweise Abwickeln der flexiblen Elemente, die ebenfalls mit dem Ventilstößel verbunden sind, am Zahnsegment erreicht werden, wodurch letztlich eine translatorische Bewegung des Ventilstößels erzeugt werden kann.
  • Das Zahnsegment kann auf vielfältige Weise konstruktiv ausgestaltet sein. Wesentlich ist, dass die durch Antriebsscheiben übertragene Bewegung des Antriebsmotors auf das Zahnsegment, beispielsweise durch eine zwischen dem Zahnsegment und der Antriebsscheibe vorgesehene Verzahnung, übertragen wird und weiterhin das Zahnsegment dazu geeignet ist, die Bewegung mittels flexibler Elemente auf den Ventilstößel zu übertragen. Das Zahnsegment kann hierzu insbesondere aus einer Mehrzahl von einzelnen Elementen gefertigt sein oder zumindest mehrere Bereiche aufweisen, die jeweils unterschiedlichen Funktionen zugeordnet sind. Beispielsweise ein Bogenelement zur Übertragung der Bewegung von den Antriebsscheiben und scheibenförmige Elemente zur Anbindung der flexiblen Elemente.
  • Die flexiblen Elemente sind bevorzugt beispielsweise Bowdenzüge, die sich insbesondere dadurch kennzeichnen, dass sie im Wesentlichen nur Zugkräfte übertragen können und nur sehr geringe oder überhaupt keine Schubkräfte übertragen können. Durch eine geeignete Anordnung von zumindest zwei flexiblen Elementen kann so die Bewegung des Zahnsegmentes in beiden Drehrichtungen auf den Ventilstößel übertragen werden.
  • Durch das Verdrehen des Zahnsegmentes kann es zu einer teilweisen Umschlingung mit einem oder beiden flexiblen Elemente kommen, indem die flexiblen Elemente praktisch auf das Zahnsegment aufgewickelt werden. Je nach Drehrichtung kann auch ein bereits aufgewickeltes flexibles Element vom Zahnsegment abgewickelt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Übersetzungsvorrichtung zumindest zwei flexible Elemente aufweist, wobei durch eine Drehbewegung des Zahnsegmentes in eine Richtung der durch das zumindest erste flexible Element umschlungene Anteil des Zahnsegmentes vergrößerbar ist und der durch das zumindest zweite flexible Element umschlungene Anteil des Zahnsegmentes verkleinerbar ist.
  • Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Drehbewegung des Antriebsmotors in beide Drehrichtungen jeweils auf das Zahnsegment und letztlich auch auf den Ventilstößel übertragen werden soll. Jeweils eines der flexiblen Elemente ist dabei für die Kraftübertragung in jeweils eine Richtung vorgesehen. Bei einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn wird eines der flexiblen Elemente auf Zug belastet, während das jeweils andere entlastet wird. Bei einer Drehrichtungsumkehr wird das jeweils zuerst unbelastete flexible Element auf Zug belastet und das zuerst belastete flexible Element entlastet.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn das Zahnsegment zwei am äußeren Umfang in Umfangsrichtung umlaufende Nuten aufweist, wobei die flexiblen Elemente zumindest teilweise durch die Nuten geführt sind.
  • Durch die Nuten kann ein Abrutschen der flexiblen Elemente am Zahnsegment verhindert werden. Auch kann eine bessere Übersetzung der Drehbewegung in eine translatorische Bewegung erreicht werden, da die flexiblen Elemente weniger Bewegungsfreiheit haben und somit das Spiel in der gesamten Vorrichtung verringert wird. In den Nuten können die flexiblen Elemente das Zahnsegment geführt umschlingen, wodurch insgesamt eine höhere Stabilität erreicht wird. Sofern mehrere flexible Elemente vorgesehen sind, kann durch die Nuten auch eine Überlappung der flexiblen Elemente verhindert werden. Das ungewollte entstehen von Querkräften und störenden Momenten kann so auch verhindert werden. Querkräfte sind insbesondere Kräfte, die quer zur gewünschten Bewegungsrichtung des Ventilstößels wirken und somit eine Bewegung erschweren oder zu einem Verkanten des Ventilstößels beziehungsweise des Ventiltellers führen. Störende Momente sind insbesondere Momente, die ebenfalls zu einer von der gewünschten Bewegungsrichtung abweichenden Bewegung des Ventilstößels und des Ventiltellers führen.
  • Das Ventil ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnsegment aus zwei scheibenförmigen Elementen gebildet ist, welche starr miteinander verbunden sind, wobei das erste scheibenförmige Element links von dem Ventilstößel angeordnet ist und das zweite scheibenförmige Element rechts von dem Ventilstößel angeordnet ist, wobei jedes der scheibenförmigen Elemente zwei parallel zueinander in Umfangsrichtung verlaufende Nuten am äußeren Umfang aufweist, wobei in jeder der Nuten ein flexibles Element geführt ist.
  • Die scheibenförmigen Elemente sind bevorzugt links und rechts des Ventilstößels in gleichem Abstand zur Mittelachse des Ventilstößels angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, um eine gleichmäßige und von Querkräften und störenden Momenten freie Kraftübertragung zu erreichen. Jedes scheibenförmige Element weist zwei Nuten auf, wobei in jeder der Nuten jeweils ein flexibles Element eingreift. Somit sind insgesamt 4 flexible Elemente vorgesehen, wobei jeweils zwei flexible Elemente für die Kraftübertragung in die gleiche Richtung vorgesehen sind. Bevorzugt überträgt jeweils ein flexibles Element auf der rechten und der linken Seite des Ventilstößels die Drehbewegung im Uhrzeigersinn und ebenfalls jeweils ein flexibles Element rechts und links die Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn von dem Zahnsegment auf den Ventilstößel.
  • Auch ist es zu bevorzugen, wenn jedes flexible Element jeweils mit dem Ventilstößel und mit dem Zahnsegment fest verbunden ist. Durch eine feste Anbindung kann eine spielfreie Kraftübertragung erreicht werden.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die jeweils zwei flexiblen Elemente gegensinnig zueinander angeordnet sind. Die gegensinnige Anordnung ist besonders vorteilhaft, um den Ventilstößel sowohl nach vorne als auch nach hinten bewegen zu können. Jeweils eines der flexiblen Elemente ist hierfür mit einer Zugkraft belastet.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Zahnsegment um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei die Drehachse des Zahnsegmentes in einer tangentialen Richtung zur Mittelachse des Ventilstößels angeordnet ist. Durch eine solche Anordnung des Zahnsegmentes beziehungsweise der Drehachse des Zahnsegmentes im Vergleich zur Mittelachse des Ventilstößels kann erreicht werden, dass die flexiblen Elemente exakt parallel zur Bewegungsrichtung des Ventilstößels ausgerichtet werden. Dies ist vorteilhaft, um das Auftreten von unerwünschten Querkräften und störenden Momenten zu verhindern oder zumindest zu minimieren.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn der Achsabstand zwischen der Drehachse des Zahnsegmentes und der Mittelachse des Ventilstößels dem halben Abrolldurchmesser der flexiblen Elemente auf dem Zahnsegment entspricht.
  • Eine solche Auslegung ist besonders vorteilhaft, weil dadurch erreicht wird, dass die flexiblen Elemente exakt parallel zur Mittelachse des Ventilstößels verlaufen. Hierbei gilt insbesondere die Lage der neutralen Faser der flexiblen Elemente als wichtig, da diese zur Vermeidung von Querkräften und störenden Momenten exakt parallel zur Mittelachs des Ventilstößels angeordnet sein sollte. Die neutrale Faser sollte dabei sowohl von der Seite entlang der Drehachse des Zahnsegmentes als auch von oben in einem rechten Winkel zur Drehachse des Zahnsegmentes betrachtet parallel zur Mittelachse des Ventilstößels verlaufen.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die flexiblen Elemente durch Bowdenzüge und/oder Seile und/oder Stahlbänder und/oder Rollfedern und/oder Ketten und/oder zugfestes Gewebeband gebildet sind.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die flexiblen Elemente an ihrem Anbindungspunkt am Zahnsegment in das Zahnsegment eingespritzt sind. Das Anspritzen beziehungsweise das Einspritzen der flexiblen Elemente in das Zahnsegment ist besonders vorteilhaft, um eine spielfreie Kraftübertragung zu erreichen.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Abstände der flexiblen Elemente zur Mittelachse des Ventilstößels rechts und links symmetrisch zueinander sind. Durch eine symmetrische Anordnung der flexiblen Elemente kann insbesondere das Entstehen von unerwünschten Querkräften und störenden Momenten reduziert oder gänzlich vermieden werden. Querkräfte und störende Momente könnten zu einem Verkanten des Ventilstößels oder des Ventiltellers führen. Außerdem wird die Haltbarkeit des Ventils deutlich reduziert.
  • Insbesondere am Ventilstößel können in radialer Richtung abragende Vorsprünge angeordnet sein, an welche die flexiblen Elemente angebunden sind. Durch eine geeignete Dimensionierung kann somit erreicht werden, dass die flexiblen Elemente exakt parallel zur Mittelachse des Ventilstößels verlaufen.
  • Auch ist es zu bevorzugen, wenn zumindest eines der flexiblen Elemente durch eine Vorrichtung mit einer Vorspannkraft beaufschlagt ist, wobei die Vorrichtung am Zahnsegment und/oder am Ventilstößel angeordnet ist.
  • Eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vorspannkraft kann beispielsweise durch eine Feder oder ein federähnliches Element gebildet sein. Die Vorspannkraft dient insbesondere zur Minimierung oder zur Eliminierung des Spiels im Ventil. Das Spiel entsteht durch Fertigungstoleranzen der einzelnen Elemente des Ventils. Durch eine Vorspannkraft können die Elemente derart miteinander in Anlage gebracht werden, dass das Spiel minimiert oder sogar gänzlich eliminiert wird.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die flexiblen Elemente parallel zur Mittelachse des Ventilstößels verlaufen. Dies ist vorteilhaft, um das ungewollte entstehen von Querkräften und störenden Momenten zu vermeiden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ventils, wobei neben dem Ventilstößel und dem Zahnsegment auch eine aus zwei Antriebsscheiben gebildete Getriebestufe abgebildet ist, und
    Fig. 2
    eine perspektivische Ansicht der Figur 1, wobei insbesondere die Anordnung der flexiblen Elemente rechts und links des Ventilstößels zu erkennen ist.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ventils 1. Das Ventil 1 ist im Wesentlichen aus dem Ventilstößel 2 und dem daran befestigten oder mit dem Ventilstößel 1 einteilig ausgeführten Ventilteller 3 gebildet. In der Figur 1 ist ein Ventilsitz, gegen welchen der Ventilteller 3 gepresst werden kann, durch einen Ring mit dem Bezugszeichen 29 dargestellt. Der Ventilsitz 29 ist Teil einer nicht gezeigten Strömungsstrecke, welche durch den Ventilteller 3 verschlossen werden kann oder freigegeben werden kann. Der Ventilstößel 2 kann entlang der durch den Pfeil 4 gekennzeichneten Richtung und auch entgegengesetzt dieser Richtung bewegt werden.
  • Weiterhin ist ein Zahnsegment 5 gezeigt, welches das Bogenelement 6 aufweist und zwei scheibenförmige Elemente 7. Das Zahnsegment 5 ist um die Drehachse 8, welche als Flächennormale auf der Zeichnungsebene steht, drehbar gelagert. Das Zahnsegment 5 kann entlang der durch den Pfeil 9 gekennzeichneten Richtung und in die entgegengesetzte Richtung um die Drehachse 8 verdreht werden.
  • Mit den Bezugszeichen 10 und 11 sind Antriebsscheiben gezeigt, die eine Getriebestufe ausbilden. Die Antriebsscheibe 11 ist mit dem Antriebsmotor 12 verbunden und kann durch diesen sowohl in Richtung des Pfeils 13 als auch in die Gegenrichtung angetrieben werden.
  • Die Antriebsscheibe 10 rollt auf der Antriebsscheibe 11 ab. Die Drehbewegung der Antriebsscheibe 10 wird schließlich auf das Bogenelement 6 des Zahnsegmentes 5 übertragen. Die jeweiligen Drehsinne ergeben sich nach dem Prinzip der Drehrichtungsumkehr von Antriebsscheibe zu Antriebsscheibe entsprechend der dargestellten Pfeile.
  • Weiterhin sind in Figur 1 zwei flexible Elemente 14 und 15 dargestellt, welche besonders vorteilhaft als Bowdenzüge ausgeführt sind. Diese flexiblen Elemente 14 und 15 können jeweils nur Zugkräfte übertragen. Die flexiblen Elemente 14 und 15 sind jeweils an einem ihrer Endbereiche mit dem Ventilstößel 2 an den Anbindungspunkten 16 und 17 verbunden und an dem jeweils anderen Endbereich mit dem scheibenförmigen Element 7. Durch eine Drehbewegung des scheibenförmigen Elementes 7 infolge einer Drehbewegung des Antriebsmotors 12 in Richtung des Pfeils 13 wird die Umschlingung des scheibenförmigen Elementes 7 mit dem flexiblen Element 15 erhöht, während die Umschlingung durch das flexible Element 14 verringert wird. Der Ventilstößel 2 wird dadurch entlang des Pfeils 4 nach links bewegt. Eine Drehrichtungsumkehr des Antriebsmotors 12 würde zu einer Vergrößerung der Umschlingung des scheibenförmigen Elementes 7 mit dem flexiblen Element 14 führen und zu einer Verkleinerung der Umschlingung durch das flexible Element 15 führen. Der Ventilstößel 2 würde folglich entgegen dem Pfeil 4 nach rechts bewegt werden.
  • In Figur 1 ist besonders gut zu erkennen, dass die Anbindungspunkte 16 und 17 exakt auf Höhe der Mittelachse 18 des Ventilstößels 2 angeordnet sind. Die flexiblen Elemente 14, 15 verlaufen somit genau parallel zur Mittelachse 18. Dies ist vorteilhaft, um keine Querkräfte oder störenden Momente in den Ventilstößel 2 einzuleiten. Es ist weiterhin zu erkennen, dass die Drehachse 8 des scheibenförmigen Elementes 7 genau soweit in der Höhe von der Mittelachse 18 des Ventilstößels 2 entfernt angeordnet ist, wie der Radius 19 des scheibenförmigen Elementes 7. Dies trägt dazu bei, dass die neutrale Faser der flexiblen Elemente 14, 15 exakt auf der Höhe der Mittelachse 18 verläuft, wodurch weiterhin die Erzeugung von unerwünschten Querkräften und störenden Momenten vermieden werden kann.
  • Die Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Ventils 1 der Figur 1. Dementsprechend wurden dieselben Bezugszeichen für identische Teile verwendet und nötigenfalls neue Bezugszeichen eingeführt.
  • Zusätzlich zur Figur 1 sind in Figur 2 zwei weitere flexible Elemente 22, 23 gezeigt. Diese sind auf der rechten Seite des Ventilstößels 2 angeordnet und über die Anbindungspunkte 24, 25 mit dem Ventilstößel verbunden. Die Anbindungspunkte 16 und 24 sind konzentrisch entlang einer Achse 26 angeordnet, wobei die Achse 26 die Mittelachse 18 durchdringt und parallel zur Drehachse 8 ausgerichtet ist. Die Anbindungspunkte 17 und 25 sind konzentrisch entlang der Achse 27 angeordnet, wobei die Achse 27 ebenfalls parallel zur Drehachse 8 angeordnet ist und die Mittelachse 18 ebenfalls durchdringt.
  • Weiterhin ist ein zusätzliches scheibenförmiges Element 28 auf der rechten Seite des Ventilstößels 2 angeordnet. Die scheibenförmigen Elemente 7 und 28 sind starr miteinander verbunden und gemeinsam um die Drehachse 8 drehbar gelagert. Besonders bevorzugt sind die scheibenförmigen Elemente 7, 28 identisch.
  • Das scheibenförmige Element 7 weist zwei in Umfangsrichtung verlaufende Nuten 20, 21 auf, in welchen die flexiblen Elemente 14, 15 jeweils zumindest teilweise geführt werden. Die Nuten 20, 21 ermöglichen ein geordnetes Aufrollen beziehungsweise Abrollen der flexiblen Elemente 14, 15 von dem scheibenförmigen Element 7. Das scheibenförmige Element 28 ist spiegelsymmetrisch zum scheibenförmigen Element 7 aufgebaut. Die flexiblen Elemente 22, 23 sind durch am scheibenförmigen Element 28 in Umfangsrichtung verlaufende Nuten geführt.
  • Insgesamt sind so jeweils zwei Kraftangriffspunkte an dem Ventilstößel durch die Anbindungspunkte 16, 24 und 17, 25 definiert, die derart angeordnet sind, dass eine möglichst gleichmäßige Übertragung der Kräfte von dem Antriebsmotor 12 auf den Ventilstößel 2 realisiert wird. Somit wird das Entstehen von Kippmomenten und Querkräften am Ventilstößel fast vollständig vermieden beziehungsweise sehr stark reduziert.
  • Wie aus den Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, sind die jeweils zwei flexiblen Elemente 14, 15 oder 22, 23 auf einer Seite des Ventilstößels 2 gegensinnig angeordnet, wodurch sowohl eine Bewegung entlang der Richtung 4 als auch entgegen der Richtung 4 mit den flexiblen Elementen 14, 15, 22 und 23, die jeweils nur Zugkräfte übertragen können, erreicht werden kann.
  • Über die Anordnung der Anbindungspunkte 16, 24, 17 und 25 auf Höhe der Mittelachse 18 und die exakt parallele Anordnung der flexiblen Elemente 14, 15, 22 und 23 wird erreicht, dass die Krafteinleitung in den Ventilstößel 2 exakt entlang der Bewegungsrichtung 4 des Ventilstößels 2 erfolgt.
  • Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Auch über die konkrete Ausgestaltung der Figuren 1 und 2 hinausgehende Ausgestaltungen, insbesondere einzelne konstruktive Abänderungen, die dem Erfindungsgedanken folgen, sind ebenfalls von dem Schutzbereich der Erfindung eingeschlossen.

Claims (10)

  1. Ventil (1) zum Öffnen und Schließen einer Strömungsstrecke, mit einem Antriebsmotor (12), mit einem Ventilteller (3), mit einem Ventilstößel (2) und mit einer Übersetzungsvorrichtung zur Übersetzung einer Rotationsbewegung des Antriebsmotors (12) in eine translatorische Bewegung des Ventiltellers (3), wobei der Ventilteller (3) mit dem Ventilstößel (2) verbunden ist und durch eine Bewegung des Ventilstößels (2) bewegbar ist, wobei die Übersetzungsvorrichtung aus flexiblen Elementen (14, 15, 22, 23) gebildet ist, wobei durch die flexiblen Elemente (14, 15, 22, 23) nur Zugkräfte übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsvorrichtung aus zumindest einem Zahnsegment (5) gebildet ist, wobei das Zahnsegment (5) durch eine Drehbewegung zumindest teilweise von dem flexiblen Elementen (14, 15, 22, 23) umschlingbar ist, und wobei das Zahnsegment (5) aus zwei scheibenförmigen Elementen (7, 28) gebildet ist, welche starr miteinander verbunden sind, wobei das erste scheibenförmige Element (7) links von dem Ventilstößel (2) angeordnet ist und das zweite scheibenförmige Element (28) rechts von dem Ventilstößel (2) angeordnet ist, wobei jedes der scheibenförmigen Elemente (7, 28) zwei parallel zueinander in Umfangsrichtung verlaufende Nuten (20, 21) am äußeren Umfang aufweist, wobei in jeder der Nuten (20, 21) ein flexibles Element (14, 15, 22, 23) geführt ist.
  2. Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsvorrichtung zumindest zwei erste flexible Elemente (14, 22) und zwei zweite flexible Elemente (15, 23) aufweist, wobei durch eine Drehbewegung des Zahnsegmentes (5) in eine Richtung der durch die ersten flexiblen Elemente (14, 22) umschlungene Anteil des Zahnsegmentes (5) vergrößerbar ist und der durch die zweiten flexiblen Elemente (15, 23) umschlungene Anteil des Zahnsegmentes (5) verkleinerbar ist.
  3. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes flexible Element (14, 15, 22, 23) jeweils mit dem Ventilstößel (2) und mit dem Zahnsegment (5, 7, 28) fest verbunden ist.
  4. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zwei flexiblen Elemente (14, 15, 22, 23) gegensinnig zueinander angeordnet sind.
  5. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnsegment (5, 7, 28) um eine Drehachse (8) drehbar gelagert ist, wobei die Drehachse (8) des Zahnsegmentes (5, 7, 28) in einer tangentialen Richtung zur Mittelachse (18) des Ventilstößels (2) angeordnet ist.
  6. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Achsabstand (19) zwischen der Drehachse (8) des Zahnsegmentes (5, 7, 28) und der Mittelachse (18) des Ventilstößels (2) dem halben Abrolldurchmesser (19) der flexiblen Elemente (14, 15, 22, 23) auf dem Zahnsegment (5, 7, 28) entspricht.
  7. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Elemente (14, 15, 22, 23) durch Bowdenzüge und/oder Seile und/oder Stahlbänder und/oder Rollfedern und/oder Ketten und/oder zugfestes Gewebeband gebildet sind.
  8. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Elemente (14, 15, 22, 23) an ihrem Anbindungspunkt am Zahnsegment (5, 7, 28) in das Zahnsegment (5, 7, 28) eingespritzt sind.
  9. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der flexiblen Elemente (14, 15, 22, 23) zur Mittelachse (18) des Ventilstößels (2) rechts und links symmetrisch zueinander sind.
  10. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der flexiblen Elemente (14, 15, 22, 23) durch eine Vorrichtung mit einer Vorspannkraft beaufschlagt ist, wobei die Vorrichtung am Zahnsegment (5, 7, 28) und/oder am Ventilstößel (2) angeordnet ist.
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